[Copper Column]금속재료와 신동산업의 기술동향…수소저장합금을 중심으로

국내 신동산업은 동제련 분야에서 1962년 장항공장의 한국광업제련㈜(이어 LG금속㈜, LS니꼬동제련을 거쳐 현 LSMnM㈜)을 거쳐 국내 산업의 근간을 뒷받침하면서, 최근에는 금속 및 전자재료 특히, 2차전지 소재와 반도체 소재를 생산하는 종합 소재산업의 근간을 이루며 발전하고 있다.

LSMnM㈜은 년 51만톤의 생산능력과 매출액 약 11조의 국내 최대 비철금속소재 기업이며, 전기동 생산량 세계 2위인 온산제련소를 보유하고 있다. 동가공 분야는 1968년 풍산금속공업㈜(현 ㈜풍산)을 비롯하여, 이구산업, 대창 등으로 대별되며, 일본의 일본광업을 비롯한 스미토모금속광산(住友金屬鑛山), 미쓰이(三井), 미쓰비시(三菱) 등 일본 7대 비철금속 회사와 신동분야에서 대견되며 발전하고 있다. 본고는 신동산업의 다양한 응용 분야 중 금속재료 분야 중 수소저장합금 분야를 중심으로 연계하여 설명코자 한다.

최근 전세계적으로 친환경 에너지에 관한 관심이 집중되고 있으며, 태양광, 풍력, 수력, 조력 등의 친환경 재생에너지는 에너지효율 및 에너지단가 등의 단점이 많아 대체 친환경 에너지로 주목받고 있는 것이 바로 수소를 이용하는 방법이다. 에너지원으로서의 수소는 기존의 방식으로 수소를 태우거나 중수소 또는 삼중수소를 이용한 핵융합 방식이 있고, 수소연료전지 (fuel cell) 방식을 이용해 전기 에너지를 얻는 방법이 있다.

그러나 수소를 에너지화하는 방법은 결코 쉬운 일이 아니다. 핵융합 발전은 가장 효율적이나 아직까지 상용화할 때까지 많은 기술적 난점들을 극복해야 하고, 수소연료전지 방식이 보다 넓게 활용되기 위해서는 친환경 수소생산 비용이 수소 1kg당 3$ 미만이 되어야 한다. 그러므로 효과적인 수소 저장기 술의 확보가 필수적이다.

수소의 저장 방식에는 고압기체저장, 액화저장, 고체저장 방식 등이 있다. 이 방법들 중 현재 가장 널리 사용되고 있는 방법은 고압기체저장 방식으로서 고강도 복합소재의 압력용기에 수소 가스를 200기압 이상의 고압용기에 저장하는 방식으로 수소 가스의 총량이 작을 때는 간편하고 저렴한 방식이지만, 압축 저장 과정에 에너지가 많이 소모되고, 저장량이 많아지면 폭발의 가능성이 높아지며, 이를 방지하기 위해 용기가 두꺼워지고 비용이 증가하는 단점이 있다.

액화저장 방식은 영하 235도 이하의 극저온 상태에서 수소를 냉각해 저장하는 방식으로 기체상태 대비 약 240배의 수소를 저장할 수 있으나, 액화 과정에서 많은 에너지를 소모하게 되고, 유지보수에 많은 비용이 소모되는 단점이 존재한다. 따라서 이런 기존의 방법들은 경제성이나 효율성이 떨어지고, 극저온이나 높은 압력의 사용에 따른 기술적인 난제들이 극복되지 않은 실정이기 때문에 고체 저장 방식이 주목되고 있다.

화합물 형태로 수소를 저장할 수도 있으며 수소는 흡착 또는 흡수에 의해 고체의 표면 또는 고체 내에 저장될 수 있다. 화학반응을 통해 수소를 액상 화합물로 저장하는 기술 또한 개발되고 있다.

물리적, 화학적 변화를 통해 단위 부피당 에너지 밀도를 높인 형태로 수소를 저장하는 각 방법들에는 기술적 장단점이 존재하지만 실용화를 위해서는 경제성과 함께 저장 조건의 안전성, 저장 상태의 안정성, 수소 방출의 가역성 등이 주요 사항으로 고려하여야 한다. 수소기체는 물에 잘 녹지 않는 대신에 니켈, 백금, 팔라듐 등의 금속의 결정구조 내부에 수소 분자가 결합되어 흡수되는 성질이 있으며, 특히, 팔라듐 금속의 경우 수소 기체 부피의 850배를 흡수 저장할 수 있으므로, 여러 가지 합금설계를 통하여 효율적인 차세대 수소저장 기술로 활용할 수 있다.

몇 가지 수소저장합금의 예들 중, 금속 수소화물(metal hydride)은 주로 금속과 수소와의 화합물로서, 특정 온도 및 압력 조건에서 수소를 흡수하고 방출하는 성질을 이용하여 안전하게 수소를 저장할 수 있으며, 수소를 빠르게 흡수하거나 방출할 수 있도록 설계할 수 있다. 저장 압력은 6.4MPa 미만이기 때문에 폭발 위험도 적다.

AIP(공기불요추진체계)를 사용하는 잠수함용 연료전지에 수소저장합금 방식으로 수소를 공급하는 점이 주목할 부분이다. 실린더에 수소를 저장한 후 일정 압력을 가해 고체화하면 실린더 내부압력도 1MPa 미만으로 낮아진다. 기체‧액화수소 대비 동일 체적당 약 2배 더 많은 수소를 저장할 수 있다. 폭발이나 누출로 인한 사고도 예방할 수 있어 안정성 측면에서도 탁월하다. 그러나 초기 흡수 및 방출에서의 열적 효율이 낮을 수 있고, 실제 응용에서 사용되는 금속 수화물은 특정 온도 및 압력에서만 효과적으로 작동할 수 있는 단점들이 존재한다.

여러 가지 금속들이 수소화물을 형성하여 수소를 저장하는 데 사용되는데, 그 중에서도 많이 사용되는 금속 수소화물 금속에는 타이타늄(Ti), 지르코늄(Zr), 니켈(Ni), 마그네슘(Mg) 등이 있으며, 이러한 금속 수화물의 특성은 수소의 흡수 및 방출 속도, 저장 밀도, 안정성 등이 중요한 요소이다. 특히, 최근에는 마그네슘을 기반으로 한 하이브리드형 수소저장 합금 기술이 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 마그네슘은 수소를 흡수하여 MgH2로 변환되는 과정에서 에너지를 방출한다. 그러나 순수한 MgH2는 고체화되는 속도가 느리고, 수소의 흡수 및 방출 속도가 낮아서 실용적이지 않을 수 있다. 따라서 하이브리드형 수소저장 합금은 Mg와 다른 물질이 혼합된 형태로 디자인된다.

하이브리드형 구조는 Mg의 흡수 및 방출 속도를 향상시킬 수 있으며, 이는 수소 저장 및 방출 과정에서 높은 효율성을 제공한다. 또한, 순수한 MgH2가 안정성이 낮을 수 있지만, 다른 물질과의 조합을 통한 하이브리드 구조를 이용하여 안정성이 향상될 수 있다. 또한 하이브리드형 구조는 수소 저장 및 방출의 반복적인 사이클에서의 안정성을 향상시키고, 이를 통해 수소 저장 장치의 수명을 연장할 수 있다. 그리고 Mg는 경량 금속으로, 그 자체로 높은 에너지 밀도를 제공할 수 있으며 수소 저장 시스템의 경량화와 에너지 밀도 증가로 이어질 수 있다.

아려진 기존 금속외에 최근 기술로는 구리(Cu)를 이용한 수소 저장 합금에 대한 연구 또한 수소 저장 및 공급에 관한 분야에서 관심을 받고 있다. 구리는 일반적으로 밀도가 높기 때문에 순수 구리는 수소를 효과적으로 저장하지 못한다. 그러나 구리 기반 합금이나 표면 처리된 구리는 수소 흡착 및 저장 능력을 향상시킬 수 있다.

구리 수소 저장 합금의 예로는 구리-마그네슘(Cu-Mg), 구리-이트륨(Cu-Y), 구리-니켈(Cu-Ni) 등이 있으며, 이러한 합금은 수소를 물리적 또는 화학적으로 흡착하여 저장할 수 있는 능력을 갖추고 있다고 알려져 있다. 또한 기존에 알려진 하이-에트로피(high-entropy) 합금 조성에 구리를 합금하여 수소 저장 특성을 향상시키는 연구가 진행되고 있다. ZrTiVFe계 하이엔트로피 합금에 구리를 20%까지 합금화하여 수소저장 특성을 향상시킨 연구결과가 알려져 있다.

이러한 하이브리드 수소저장합금의 경우, 기존 수소저장합금의 최대 수소 저장량인 1.8wt%(합금 무게 당 수소 저장량)을 훨씬 뛰어넘는 3.3wt%의 수소저장 능력을 갖고 있으며 기존 수소저장 합금들의 문제점인 고온 또는 저온의 특정 온도에서만 사용이 가능하던 불편함도 제거해 상온에서 낮은 압력(10~40bar)으로 작동한다.

이러한 상온 및 저압에서도 고용량으로 수소를 저장하고 방출할 수 있는 하이브리드 수소저장합금은 국내 창원소재 중소기업에서 개발되고 사업화가 활발히 진행 중이다. 수소저장합금에 대한 수요는 국내외적으로 매우 높은 상황으로 국내 업체들의 신동산업 분야와 연계된 상기 기술외에 전기∙전자재료에의 적용을 위한 구리 및 구리합금 응용기술(예로 카본나노튜브(CNT)를 이용한 구리합금 복합재료 등)과 첨단 융합기술들의 연구결과들을 기대해 볼 만할 것으로 보인다.